桑树乳汁蛋白质组学研究

Plant latex is a viscous emulsion exuded from the points of plant trauma caused by either herbivorous insects or mechanical terms. Over 20000 plant species from 40 families exude latex. Previous studies showed that latex contains a variety of proteins and secondary metabolites, which played an essential role against insect feeding, pathogen infection and animal herbivory. Mulberry is an ecological economic trees and its genome has been sequenced and assembled in our laboratory. Mulberry leaves are the only food resource of monophagous insect silkworm, Bombyx mori. However, most of phytophagous insects fail to feed on mulberry leaves. The composition of mulberry latex is still unclear, which was considered to play dominant defensive roles. In order to understand the defensive mechanism of mulberry latex, we therefore plan to investigate the composition of mulberry latex using proteomic methods. The functional proteins and relative coding genes involved in defense will be identified, which will provide a preliminary understanding for the defensive strategies of mulberry to intrusion. The defensive genes obtained from this research can be utilized to develop new tools against the agricultural pests and pathogens.

乳汁是植物受到昆虫啃食或者机械创伤时伤口分泌的一种粘性乳液，分布于40个科的超过20000种植物能够产生乳汁。已有的研究证明植物的乳汁中含有多种蛋白质和次生代谢物质，其在抵抗昆虫啃食、病原菌侵染以及植食性动物取食等方面具有重要的作用。桑树是一种生态经济林木，本研究室已经完成了桑树的基因组测序及拼接工作。桑叶是专食性昆虫家蚕的唯一食物来源。然而，大部分植食性昆虫却无法取食桑叶。目前关于桑树乳汁的蛋白质组成仍不清楚。为了理解桑叶乳汁抗性的作用机制，本研究拟采用蛋白质组学的方法解析桑树乳汁的蛋白质组成，获取参与防御功能的关键蛋白质及其编码基因，初步解析桑树乳汁蛋白质的抗性机制，为农业病害的防治提供新的靶标。

植物乳汁中含有丰富的活性蛋白质，对于植物抵御植食性昆虫的取食和病原微生物的侵染等方面发挥着重要的作用。目前，植物中已报道了多个乳汁蛋白的防御功能。然而，至今尚不清楚植物乳汁蛋白质组成的全貌及乳汁蛋白抗性防御的分子机理。桑树是典型的分泌乳汁植物，在自然界中受到植食性昆虫的取食和病原微生物的侵染，是研究乳汁抗性蛋白的理想材料。本研究利用LC-MS/MS方法解析了桑树乳汁蛋白质组成，理清了其功能分类，并将其与叶片蛋白质组进行比较分析，鉴定了多个乳汁抗性蛋白并分析了其功能。本研究鉴定桑树乳汁蛋白2,865个，叶片蛋白3,471个，共鉴定桑树蛋白质4,715个，占桑树理论蛋白质总数的17.4%；基于APEX定量方法，获得了高可信度的桑树乳汁特异的蛋白质141个，叶片特异的蛋白530个，在乳汁和叶片中具有显著表达差异的蛋白质339个。进而，分析了桑树乳汁cystatin蛋白的功能，证明其能够抑制半胱氨酸蛋白酶的活性，发现其在桑树受到昆虫咬食后迅速上调表达，证明桑树cystatin蛋白MaCPI-4能够抵御家蚕消化酶。随后，鉴定了家蚕粪便中的蛋白质，共获得超过100个桑树蛋白，其中74个在桑树乳汁中存在，其中10个属于丝氨酸蛋白酶抑制子蛋白。另外，研究表明分子量范围15KD~30KD和70KD~100KD的桑树乳汁蛋白组分具有显著的抗虫活性；而30KD~50KD范围的组分显示出较强的抑菌活性。本研究是目前所知的分辨率最高的乳管植物乳汁蛋白质组，为乳管植物蛋白质组学研究及蛋白功能分析提供参考。鉴定了具有抗虫活性的乳汁蛋白并初步研究了其功能，为农业害虫的防止提供了候选靶标蛋白。